Технологический расчет теплообменного пластинчатого аппарата А1-ОКЛ-2,5

 

Существует  два типа теплообменников.

• Теплообменник прямого действия, где обе среды, между которыми происходит теплообмен, находятся в непосредственном контакте.

• Теплообменник непрямого действия, в котором теплообмен происходит через стенку, разделяющую две среды.

    По принципу действия теплообменники делят на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

     В рекуперативных теплообменниках  теплоносители разделены стенкой,  через которую теплота предается  от одного теплоносителя к  другому.

     В регенеративных теплообменниках  одна и та же теплообменная  поверхность омывается попеременно  горячим и холодным теплоносителями.  При омываниии горячим теплоносителем поверхность нагревается за счет его теплоты, при омываниии поверхности холодным теплоносителем она охлаждается, отдавая теплоту. Таким образом, теплообменная поверхность аккумулирует теплоту горячего теплоносителя, а затем отдает ее холодному.

     В смесительных аппаратах передача  происходит при непосредственном  взаимодействии теплоносителей.

     Пластинчатый теплообменник относится  к типу рекуперативных.

     Эти теплообменные аппараты монтируют  на рамке, состоящей из верхнего  и нижнего несущих брусов, образовывающих собой стойку с неподвижной плитой.

     По направляющим стяжным шпилькам  перемещается подвижная плита.  Между неподвижной и подвижной  плитами располагается пакет  стальных штампованных гофрированных  пластин, в которых имеются  каналы для прохода теплоносителей. Уплотнение пластин достигается  с помощью заглубленных прокладок,  выдерживающих высокие рабочие  давления.

Теплообмен  происходит в противотоке, причем каждый теплоноситель 

 

движется  вдоль одной стороны пластины.

В большинстве применений наиболее эффективным считаются пластинчатые теплообменники. Обычно применение теплообменника этого типа предполагает лучшее решение проблем, связанных с теплопередачей, в самых широких диапазонах рабочих давлений и температур при ограничениях, накладываемых на эти параметры используемым производственным оборудованием. Наиболее значительные преимущества пластинчатого теплообменника перечислены ниже.

• Компактность конструкции, благодаря которой теплообменник этого типа требует гораздо меньшего пространства производственного участка для установки, чем традиционный кожухотрубный теплообменник.

• Применение тонкого металла для изготовления теплопередающих пластин этого теплообменника позволяет обеспечить оптимальную теплопередачу, так как теплу легче проходить сквозь стенку очень малой толщины.

• Высокая турбулентность течения среды создает хорошие условия для более интенсивной конвекции или для более эффективного теплообмена между жид-

костями. Из этого следует более высокий  коэффициент теплопередачи на единицу  площади поверхности теплообмена, что позволяет получить не только исключительно компактный, но и более  эффективно работающий теплообменник. Высокая турбулентность потока среды  создает также эффект самоочистки. Более того, теплопередающие поверхности пластинчатого теплообменника гораздо меньше подвержены загрязнению (образованию отложений) по сравнению с обычным кожухотрубным теплообменником. Это

означает, что пластинчатый теплообменник  может значительно дольше находиться в работе между циклами его  мойки.

• Простота применения. Пластинчатый теплообменник состоит из рамы и определенного числа пластин, имеющих теплопередающие поверхности. Посредством добавления некоторого количества пластин теплообменник этого

типа  легко нарастить для увеличения его производительности. Более того, он

может легко  разбираться для чистки.   

 

3.1. Описание  проектируемого объекта

   Пастеризационно – охладительная установка А1-ОКЛ-2,5 используется для пастеризации смеси сливочного масла с последующим охлаждением.

   Пластинчатый аппарат этой установки  скомплектован на базе ленточно-поточных  пластин П-2..

Техническая характеристика пастеризационно – охладительной установки А1-ОКЛ-2,5:

Производительность  2500 л/ч;

Температура смеси сливочного масла, поступающей в аппарат  40-45°С;

Температура пастеризации смеси сливочного масла 86-90°С;

Температура охлаждения смеси сливочного масла в аппарате 4-8°С;

Температура водопроводной воды на входе в  аппарат не более 12°С;

Температура рассола (начальная)  –(5-7) °С;

Начальная температура  горячей воды  95°С;

Время выдерживания смеси мороженого при температуре  пастеризации не менее 60 с;

Рабочее давление в аппарате не более 12 кПа;

Кратность рассола  до 4;

Кратность холодной воды  до 3;

Потребление пара 36 кг/ч;

Потребление электроэнергии 1,6 кВт;

Потребление воды на предварительное охлаждение 2,5 м /ч;

Коэффициент регенерации теплоты 80%;

Установленная мощность 3,0 кВт;

Число пластин  в аппарате 112 шт;

Занимаемая  площадь 7,3 м ;

Масса 1400 кг.

 

 

 

5. Расчет теплообменного пластинчатого  аппарата А1-ОКЛ-2,5

 

     Под технологическим расчетом проектируемого объекта обычно понимают совокупность расчетов, связанных непосредственно с параметрами, видом и особенностями технологического процесса, осуществляемого этим объектом.

     Основной целью технологического  расчета является определение  исходных параметров, необходимых  при выполнении графической конструкторской  проработки проектируемого объекта.

     Задачи, решаемые при проведении  технологического расчета, обычно  сводятся к определению основных  технологических конструктивных  и энергетических факторов.

 

5.1. Тепловой  расчет аппарата

 

Целью теплового расчета теплообменника является определение коэффициентов  теплоотдачи, теплопередачи и поверхности  теплообмена.

Определение средней разности температур в секциях

а) Секция регенерации

 

Определение температуры смеси сливочного масла в конце секции регенерации:

 

t =t + (t -t ), (5.1)

где t - температура пастеризации смеси сливочного масла , °С; - коэффициент регенерации теплоты; t - начальная температура смеси сливочного масла, °С

t

= 40 + 0,8 (90 - 40) = 80°С

Определение температуры пастеризованной  смеси сливочного масла после секции регенерации:

t = t + (t - t ), (5.2)

 

t

= 40 + 90 – 80 = 50°С

 

 

 

Определение разности температур в  секции регенерации:

 

t = t - t , (5.3)

 

t = 90 – 80 = 10°С.

б) Секция пастеризации

Определение температуры горячей  воды при выходе из секции пастеризации:

 

t = t - , (5.4)

 

где t -начальная температура горячей воды, °С; с - теплоемкость смеси сливочного масла [при t = 85°С равна 3,85 кДж/(кг*К)]; с - теплоемкость воды

[при t = 85°С равна 4,224 кДж/(кг*К)]; n - кратность расхода горячей воды.

t

= 95 - =93°С,

t = t - t ,

 

t = 93-80 = 13°С,

t = t - t ,

t = 95-90 = 5°С,

= =2,6 >2

Определение средней разности температур:

t = ,  (5.5)

t = =8,37°С .

в) Секция охлаждения водой

Определение температуры холодной воды, выходящей  из водяной секции:

t = t +с * , (5.6)

где t - температура холодной воды, выходящей из водяной секции, °С; n - кратность расхода холодной воды; t - температура смеси сливочного масла после секции водяного охлаждения, °С; t - начальная температура холодной воды,

t

= 12+3,85(50-8)/(4,224*3)=25°С,

t = t - t = 50-25=25°С,

t = t - t = 8-25 = -17°С,

= =1,5 <2

Определение средней разности температур в секции охлаждения водой:

t = ,        (5.7)

t = = 21°С

г) Секция охлаждения рассолом

Определение температуры рассола на выходе из аппарата:

t = t + ,  (5.8)

где t - начальная температура рассола, °С; n - кратность рассола;

t - конечная температура смеси сливочного масла  , °С; с - теплоемкость рассола, кДж/(кг*К).

 t

= -5+ = 2°С,

t = t - t = 4-(-5) = 9°С,

t = t - t = 8-2=6°С,

= =1,5 <2

Определение средней разности температур в секции охлаждения ледяной водой:

t = ,        (5.9)

t =  =1,5°С.

 

 

 

Определение скорости потоков в  секциях

Определение объемной производительности (м /с) по смеси сливочного масла  :

V=C/3600,      (5.10)

где С – производительность аппарата, л/час (по заданию2500 л/час).

V=2,5/3600 = 0,0007 м

/с

Определение числа каналов m в пакете при скорости смеси сливочного масла  :

=0,44 м/с

m = ,  (5.11)

 где f - площадь поперечного сечения одного канала.

  m =

=2,65.

Принимаем m = 3 , тогда действительная скорость смеси сливочного масла  =0,44*2,65/3=0,39 м/с

Скорость  холодной воды принимаем равной скорости молока

= =0,39 м/с

скорость  горячей и ледяной воды принимаем

= =0,75 м/с

Определение теплофизических свойств  смеси мороженого и рабочих жидкостей

а) Секция регенерации  теплоты

Определение средней температуры сырой смеси  в секциях (сторона нагревания):

t = 0,5 (t + t ,),  t = 0,5 (40+80)= 60°С (5.12)

Теплофизические свойства смеси:

= 0,518 Вт/(м*К); = 705,6*10 Па*с; = 1011,1 кг/м ;

с = 3,850 кДж/(кг*К); Pr = 5,35.

Определение средней температуры пастеризованной  смеси (сторона охлаждения):

t = 0,5 (t + t ,),  t = 0,5 (90+50) = 70°С   (5.13)

 

Теплофизические свойства смеси:

= 0,524 Вт/(м*К); = 617,4*10 Па*с; = 1005,2 кг/м ;

с = 3,850 кДж/(кг*К); Pr = 4,65.

б) Секция пастеризации

Определение средней температуры горячей  воды (сторона охлаждения):

t = 0,5 (t + t ,), t = 0,5 (95+93) = 94°С (5.14)

Теплофизические свойства воды:

= 0,68 Вт/(м*К); = 314,6*10 Па*с; = 965,3 кг/м ;

с = 4,228 кДж/(кг*К); Pr =1,95.

Определение средней температуры  смеси (сторона нагревания):

t = 94 - t , t = 94 - 8,37=85,63°С (5.15)

Теплофизические свойства смеси:

=  0,530 Вт/(м*К); = 558,6*10 Па*с; = 996 кг/м ;

с = 3,85 кДж/(кг*К); Pr =4,12 .

в) Секция охлаждения смеси водой

Определение средней температуры холодной воды (сторона нагревания):

t = 0,5 (t + t ,), t = 0,5 (12+25)= 18,5°С (5.16)

Теплофизические свойства воды:

= 0,599 Вт/(м*К); = 999,6*10 Па*с; = 998,2 кг/м ;

с = 4,207 кДж/(кг*К); Pr = 7,06.

Определение средней температуры смеси (сторона  охлаждения):